ISC_6

Introdução aos
Sistemas de Computação (6)
Componentes (físicos) a analisar:
–  a unidade de processamento / o processador:
Estrutura do tema ISC
1. 
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6. 
Análise de componentes
num computador
•  o nível ISA (Instruction Set Architecture):
Representação de informação num computador
Organização e estrutura interna dum computador
Execução de programas num computador
O processador e a memória num computador
Da comunicação de dados às redes
Evolução da tecnologia e da eficiência
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tipos/formatos de instruções, acesso a operandos, ...
Ø  CISC versus RISC
Ø  melhoria de eficiência no processador: com paralelismo
Ø  melhoramentos fora do processador (ou core)
−  a hierarquia de memória:
cache, memória virtual, ...
–  periféricos:
•  interfaces humano-computador (HCI)
•  arquivo de informação
•  comunicações
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Eficiência nos Sistemas de Computação:
oportunidades para melhorar
CISC versus RISC
Oportunidades para melhorar o desempenho / eficiência
A “revolução” dos Reduced Instruction Set Computers
–  com introdução de paralelismo
Caracterização das arquiteturas RISC
– 
– 
– 
– 
– 
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•  na execução das instruções no cód bin (Instruction Level Parallelism)
conjunto reduzido e simples de instruções
formatos simples de instruções
uma operação elementar por ciclo máquina
operandos sempre em registos
modos simples de endereçamento à memória
– 
– 
– 
– 
paralelismo desfasado ou execução encadeada (pipeline)
paralelismo nos dados (processamento vetorial, MMX/SSE/AVX...)
paralelismo nas operações (VLIW, super-escalar)
com execução de instruções fora de ordem (out-of-order execution)
•  no acesso à memória
–  paralelismo desfasado (interleaving)
–  paralelismo "real" (maior largura do bus)
Exemplos de arquiteturas RISC:
em todos os smartphones!
•  ao nível da aplicação (sistemas concorrentes/paralelos/distribuídos)
–  com fios de execução (multithreading => multicore/multichip c/ mem partilhada)
–  com processos (com memória distribuída)
–  com hierarquia de memória (para diminuir latência)
•  cache ...
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Paralelismo no processador:
exemplo
Hierarquia de memória (1)
Exemplo de pipeline
Componentes
menores,
mais rápidos,
maior custo/byte
Componentes
maiores,
mais lentos,
menor custo/byte
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Evolução dos processadores da Intel
até à família Intel x86
Hierarquia de memória (2)
4004: 1º processador
num único chip
1971
1972
(microprocessador)
8008 e 8080: 1ºs microprocessadores
de 8 bits
8088 e 8086:
1ºs microprocessadores
de 16 bits
1978
1974
1978
(selecionados para o IBM PC)
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Evolução do Intel x86 : pré-Pentium
(visão do programador)
Evolução do IA-32: família Pentium
(visão do programador)
Nome
Data
Nº transístores
Pentium
1993
3.1M
( = P5 , aka i586)
8086
1978
29K
PentiumPro
1995
5.5M
( = P6 , aka i686)
Pentium/MMX
1997
4.5M
Pentium II
1997
7.5M
( = Pro + MMX )
Pentium III
1999
8.2M
( +Celeron, +Xeon)
Pentium 4
2000
42M
( = NetBurst, aka i786)
–  arquitectura superescalar, com 2 pipelines de inteiros (de 5 níveis)
–  processador 16-bits (registos + ALU); base do IBM PC & DOS
–  espaço de endereçamento limitado a 1MB (DOS apenas vê 640K)
80286
1982
134K
–  endereço 24-bits e protected-mode; base do IBM PC-AT & Windows
386
1985
275K
à primeiro IA-32 !!
–  estendido para 32-bits: registos + op. inteiros + endereçamento
–  memória segmentada+paginada, capaz de correr Unix
486
1989
–  SIMD: opera com vetores de 64-bits, tipo int de 1, 2, ou 4 bytes
–  Streaming SIMD Ext , SSE: vetores 128-bits, int/fp 1/2/4 bytes
–  trace cache, pipeline muito longo (20 ou 31), suporta multi-threading
–  SSE2: mais instruções e com dados fp de 8-bytes
1.9M
–  integração num único chip: 386, co-proc 387, até 16kB cache L1
–  poucas alterações na arquitetura interna do processador
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–  out-of-order execution, 14 níveis pipeline, 3-issue superscalar
–  endereço 36-bits, cache L2 on-package
Pentium M
2003
77M
( = P-M )
–  arquitetura mais próxima do Pentium III (eficiência energética)
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Evolução do IA-32 para Intel 64
(visão do programador)
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Intel 64 ≠ IA-64 (Itanium)
•  IA-32 ou x86 open architecture cresce para 64-bits
–  HP e Intel propõem arquitetura incompatível, IA-64 (Itanium CPU)
–  AMD anuncia em 1999 extensão do x86: x86-64
–  Intel segue AMD: IA-32e (Fev-04), EM64T (Mar-04), ou Intel 64 (2006)
–  AMD64 e Intel 64 diferentes; compiladores usam sub-set comum
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Arquiteturas Intel 64 com maior integração
(visão do programador)
•  arquitetura Core surge em 2006 (151M transístores)
Arquiteturas Intel 64 com maior integração
(visão do programador)
•  arquitetura Sandy Bridge anunciada em 2010 (>1,000M transístores)
–  desenvolvida pela mesma equipa que o P-M (Israel)
–  14 níveis de pipeline (como P6), mas 4-issue superscalar
–  ensaio de arquitetura híbrida multicore, integrando o processador gráfico
–  interface com o processador gráfico através da cache L3
–  2 níveis de cache on-chip
–  processamento vetorial de fp estendido para 256-bits (AVX)
–  multi-core on-chip e virtualização por h/w
–  suporta fusão de instruções RISC (µ-ops na terminologia Intel)
–  integração no chip do interface PCIe 16x
•  arquitetura Haswell anunciada em 2013 (>5,500M transístores)
–  arquitetura Core 2 é integralmente 64-bit (Intel 64)
–  nível adicional de cache para µ-ops (formato RISC)
–  processamento vetorial integral com 256-bits (AVX2)
•  arquitetura Nehalem anunciada em 2008 (731M transístores)
–  inspirada no NetBurst (com multi-threading e maiores clock rates)
–  2 unidades vetoriais para operações com inteiros
–  2 a 8 cores por chip, com cache L3 on-chip
–  com conexão ponto-a-ponto inter-CPU_chips
–  até 18 cores e 45MB de cache L3 (Xeon)
–  integra controlador de memória numa arquitetura NUMA
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Extensões de processamento vetorial no Intel 64
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A hierarquia de cache em arquiteturas multicore
Advanced Vector Extensions, AVX 1.0
As arquiteturas multicore mais recentes:
memória primária!
CPU
chip_1!
…
banco de registos!
… Núcleos num!
chip (cores)!
ALU!
CPU
ŸŸŸ! chip_2!
caches L1 & L2!
…
mem channels!
hub / router!
cache L3!
fast interconnect!
ŸŸŸ!
I/O links!
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Register mapping in AVX
AVX 2.0
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Coming soon: AVX-512
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Lançamento da Intel em 2012:
Sandy/Ivy Bridge (8-core)
Gerações de Pentium “de ontem”
Intel Hex-Core Nehalem (1.17 mil milhões de transístores)
Intel Octal-Core Nehalem (2.3 mil milhões de transístores)
Intel Quad-Core + GPU Sandy Bridge (low end)
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Lançamento da Intel em 2013:
8 configurações para i5 & i7 Haswell
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Lançamento da Intel em 2016 (?):
18-core Haswell Xeon
eDRAM
4-core
+
48-EUs
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Protótipos da Intel em 2010/11:
Single-chip Cloud Computer
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Chips da Intel em 2016:
Xeon Phi com 72 cores
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Chips da Intel em 2012/13:
Xeon Phi com 60 cores
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Exemplo de chip com processadores RISC:
2x ARM’s no A6 do iPhone 5
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Exemplo de chip com processadores RISC:
dos 2x ARM cores no A9 para 6x cores no A10 do próximo iPhone
Exemplo de chip com processadores RISC:
4+1 ARM’s no Tegra 4i da NVidia
6x64-bitcores
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Exemplo de chip com processadores RISC:
4+4 ARM’s no Exynos 5 Octa, Galaxy S 4
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Processadores Intel versus ARM
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